Отделение физики и термоядерных технологий генераторов нейтронов и гибридных систем на основе компактных токамаков

Руководитель отделения

д.ф.-м.н.
Гусев Василий Константинович

Рис. 1. Сферический токамак Глобус-М, Размещение аппаратуры на токамаке Глобус-М

Рис. 2. размещения основных диагностик и систем токамака

Сферический токамак «Глобус-М»

Сферический токамак Глобус-М (рис. 1) представляет собой экспериментальную термоядерную установку для удержания высокотемпературной плазмы, запущен в 1999 г. Именно в установках типа токамак предполагается реализация управляемого термоядерного синтеза - энергетики будущего. Глобус-М - это единственный в России и один из трех в мире сферических токамаков мегаамперного диапазона. Сферическая модификация установки токамак имеет ряд технологических преимуществ с точки зрения достижения УТС - более высокий КПД при том же потребления энергии. Проект направлен на решение ряда фундаментальных и технологических задач (увеличение устойчивости плазменного шнура, оптимизация алгоритмов управления, изучение поведения плазмы в сферической геометрии, исследования в области выбора материалов токамака-реактора), обладает комплексом уникальных диагностических систем. Часть исследований проводится в поддержку международного проекта ИТЭР. Интерес к проблеме УТС увеличивается год от года. Достижение успеха в этой области на сегодняшний день возможно только сообществом государств-участников программы ИТЭР (ЕС, США, Россия, Япония, Индия и др.).

Основные параметры, достигнутые на сферическом токамаке Глобус-М

  • Большой радиус плазмы, R: 0,36 м
  • Малый радиус плазмы, a: 0,24
  • Аспектное отношение, R/a: 1.5
  • Тороидальное магнитное поле: 0,55 Тл
  • Ток плазмы: 0,36 МА 
  • Вытянутость плазменного шнура: 2,2
  • Треугольность плазменного шнура: 0,45
  • Тороидальное бета, βТ: 13%
  • Нормализованное бета, βN: 6,5 % мТл/МА 
  • Температура электронов: 0,9 кэВ
  • Температура ионов: 0,85 кэВ
  • Суммарная мощность дополнительного нагрева плазмы: 1,5 МВт
  • Плотность плазмы: 1,2 1020 м-3 
  • Запас устойчивости границы плазменного шнура: 2 

 



Глобус-М оснащен мощными источниками дополнительного нагрева плазмы (инжектор атомов, система нагрева на гармониках ионно-циклотронного резонанса), а также высокотехнологичным комплексом диагностических систем.

Последний состоит из большого числа мониторных диагностик, работающих постоянно: датчики токов и напряжений в обмотках магнитной системы токамака, набор петель и зондов магнитной диагностики, СВЧ-интерферометр, детекторы оптического (коллимированные и обзорные датчики светимости линий водорода и дейтерия, датчики излучения легких примесей, обзорные спектрометры) и рентгеновского (мягкого и жесткого) излучения, болометры, зонды Ленгмюра и др.

В зависимости от задач, стоящих в процессе проводимых исследований, могут подключаться сложные диагностические системы, такие как диагностика томсоновского рассеяния, диагностика потоков атомов перезарядки, быстрая видеокамера оптического диапазона. Схема размещения основных диагностик и систем токамака представлена на схеме.

Рис. 3. Реконструкция магнитной конфигурации

На основе данных магнитной диагностики, включая данные с 21 петли, установленной на поверхности разрядной камеры токамака для измерения полоидального потока, с помощью кода EFIT производится реконструкция магнитной конфигурации (см. рис. 3). По результатам реконструкции определяется ряд интегральных параметров плазменного шнура, таких как запасенная энергия, бета и др.

Плотность плазмы мониторно измеряется с помощью СВЧ-интерферометра, работающего на длине волны 0,8 мм и имеющего три вертикальные хорды, проходящие на расстоянии 24, 42 и 50 см от оси токамака. Аппаратура позволяет уверенно производить измерения линейной плотности в диапазоне до 0,6×1020 м-2, что соответствует средней плотности плазмы около 1,0×1020 м-3.

С помощью диагностики томсоновского рассеяния профиль температуры и плотности электронов определяется по десяти пространственным точкам вдоль большого радиуса в экваториальном сечении плазменного шнура. Диагностика позволяет производить до 20 измерений за разряд в заранее заданных временных точках. Минимальный интервал между соседними измерениями не превышает 500 мкс. Ионная температура определяется по потокам атомов перезарядки с помощью анализатора АКОРД-12, линия наблюдения которого направлена вдоль большого радиуса токамака. Анализатор позволяет одновременно производить измерения потоков атомов водорода и дейтерия по шести энергетическим каналам для каждого изотопа. Второй аналогичный анализатор АКОРД-24М имеет линию наблюдения, направленную в тороидальном направлении, и предназначен для исследования поведения "пролетных" ионов при исследовании дополнительных методов нагрева плазмы. Минимальное временное разрешение обоих приборов составляет 0,1 мс..

Для сбора информации на установке имеется более 500 цифровых каналов записи. Получаемая во время импульса информация (более 150 Мб за импульс) хранится в базе данных разрядов и доступна для удаленного доступа на FTP-сервере через сеть Internet.

Важно отметить, что токамак Глобус-М отличается от других сферических токамаков высоким значением средней по сечению плотности тока в плазменном шнуре. В различных режимах работы эта величина составляет 1,4 - 1,8 МА/м2. Данное обстоятельство делает омический режим более эффективным, так как удельная мощность нагрева пропорциональна квадрату плотности тока. Высокая плотность тока, как и высокое значение отношения тороидального магнитного поля к большому радиусу установки, достигающее величины 1,8 Тл/м, позволяет получать разряды с высокой предельной средней плотностью плазмы около 1 1020 м-3 даже в режиме омического нагрева.

В целом программа исследований на токамаке Глобус-М направлена на получение режимов с горячей плазмой в условиях с низкими значениями запаса устойчивости на границе и высокой плотностью. Применительно к реализации идеи управляемого термоядерного синтеза это означает повышение энергетического выхода термоядерной реакции, пропорционального квадрату плотности плазмы, и эффективности реактора за счет режимов с предельными коэффициентами Тройона.